论文部分内容阅读
摘 要：本文笔者详细介绍了目前国外电量在线测控新技术和高端产品的发展状况，论述了综合应用新技术开发设计国内电量在线智能测控产品的思路和方向，展望了新一代电量在线测控产品在国内的应用前景。
关键词：电参量；在线测控；智能模块；以太网
中图分类号：TM938.8 文献标识码：A 文章编号：
随着国家经济的快速发展，节能减排工作正深入推进，智能电网建设正加快实施，为电量测控技术和产品的研发、应用注入了新动力，拓展了新空间。综合应用新技术研制开发高准确等级、高可靠性、高稳定性且智能化、模块化、低成本的电量在线测控核心产品，满足智能电网安全运行、电能质量实时监控、用电过程实时测控、清洁能源入网安全等方面的需求，已成为当前国内外电量在线测控技术和产品研究发展的方向。
1 国外电量在线测控最新技术状况
1.1 电量在线测控关键技术状况
为适应电量在线测控系统高准确、高可靠、多功能、智能化、网络化、模块化的发展趋势，一方面需要利用最新的电子、测控技术，对电量在线测控系统的前端测量核心单元按智能化、网络化、模块化要求升级设计，彻底改变传统的结构和模式；另一方面，要利用当今网络通信、计算机及信息管理等先进技术构建网络化的电量在线测控系统，实现对各关键点电参量的实时测控、采集、分析、统计、管理。
1.1.1 电量测量专用集成芯片
近些年来，国外各种高集成、高性能、多功能、嵌入式的电量测量专用芯片不断涌现，如ADE7878、AT73C500/501、TDK71M6513H 等。电量在线测控系统在计算机及网络信息技术的强力推动下，功能不断增强，应用领域持续扩大，正朝着网络化、模块化、开放化、集散化、智能化的方向发展。网络通信接口芯片的多功能微型化发展，为基于TCP/IP 协议的电量在线测控核心测量单元向网络化升级设计铺平了道路。
应用最新的网络通信技术和支撑芯片，彻底升级设计电量在线测控核心测量单元，重点要把握远程组网应用和在线集中测控2 个关键。核心测量单元作为未来现场级在线测控的网络节点，须引入与因特网相似的体系结构和通信模型，使各测控节点的数据信息能以TCP/IP 方式传输；利用网络通信前沿技术，构建网络化的电参量在线测控系统，可保证测控网络（或Internet）所及区域的各类电参量测控信息能灵活传输至测控中心，实现对电参量的远程、在线、集中测控，节省长期运行成本。
1.1.2 嵌入式单片微处理器芯片
嵌入式系统常用的单片微处理器技术成熟，功能齐全。许多芯片已达到片上系统级水平，一个芯片内集成了中央处理器（CPU）内核、Flash存储器、片内RAM、多路ADC、多路DAC、SPI（I2C、RS232、RS485）接口、多路通用定时器、看门狗定时器等；支持闪存在系统编程ISP（in-system programming）、在电路编程ICP（in-circuit programming）、在应用编程IAP（in-application programming）功能。如NXP 公司最新的P89LPC98X 系列微处理器[4]，片内集成了高性能的80C51 内核，高精度内部时钟，Flash、RAM，UART、I2C、SPI 数据传输接口，多通道ADC，7 路定时器等资源，指令执行2～4 个时钟周期，2.4～5.5 V宽工作电压范围，支持ISP、ICP、IAP 在线编程功能，较适合低成本、高可靠性的电量测控系统应用。
1.2 国外电量在线测控的领先产品
国外电量在线测控技术和产品研究领域，施耐德电气集团、以色列Elspec 公司目前處于领先地位，代表着国外此类技术和产品的领先水平和发展方向。施耐德电气集团公司的PM800 系列电力参数测量仪、ION7650 电能质量监测装置等高端电量在线测控产品，具有测量准确等级高、测量功能完善、通信技术先进、组网应用灵活等特点。其主要技术指标如表1 所示
表1 PM800、ION7650 主要技术指标
2 电量在线测控新产品设计思路
2.1 国内电量在线测控产品的状况
国内目前的电量在线测控产品，在测量准确等级、智能测控、功能组合、开放性等方面须升级完善。主要存在以下不足：
（1）测量准确等级不高。电流、电压最高测量准确等级0.2 级，其他电量测量准确等级大多低于0.5 级。
（2）通信技术落后。通信接口多为RS485 总线或RS-232 接口，不具备TCP/IP 以太网通信协议，组网灵活性差，难于实现规模化的系统组网集成。
（3）功能单元的设计沿用传统的结构模式，不能实现前端测量单元的独立就近安装，不利于按需组合、优化配置、节约资源。
2.2 国内在线测控产品的设计思路
借鉴国外新型电量在线测控产品的设计理念，综合应用国内外最新技术，设计开发我国高准确等级、高可靠性、高稳定性，且智能化、网络化、模块化、低成本的电量在线测控核心产品，是国内电测技术必须突破的关键。
未来的电网将是智能电网，各种新的在线测控技术将不断地应用在智能电网中。当前和今后相当一段时期，国内对智能化、网络化的电量在线测控技术和产品需求旺盛，图1 给出一种综合应用新技术解决电力系统在线智能测控的示例。图中实线框构成的部分为拟开发的新型在线测控产品，虚线框部分给出了测控新产品获得信息途径及发出信息的去向。
图1 在线测控新产品在电力系统中的应用示例
应用新技术设计开发国内电量在线测控核心产品，应综合考虑：标准化问题，包括接口的标准化设计，测控单元模块标准化设计等；准确等级问题，采用目前电量测控最新专用测量芯片（如ADE7878），各类电量在线测量准确等级可达0.2 级以上；单元结构问题，可借鉴上述黑匣子的思路，合理划分基本功能模块和扩展模块，便于按需灵活组合、优化配置；通信接口问题，应将嵌入式以太网接口、USB 接口作为基本模块的必备功能，满足开放要求；针对现场应用可靠性问题，须采取软硬件冗余设计、隔离屏蔽等措施。
2.3 未来技术和产品的发展方向
未来的多功能电量在线测控核心产品，实时化、模块化、智能化、网络化、标准化是满足集中测控、规模组网、低碳应用的必然要求和发展方向。可采用的核心技术包括电量测控最新技术、网络通信最新技术、数据库技术、数据压缩存贮技术、信息管理技术、隔离屏蔽技术、低功耗设计技术、以太网供电（power over ethernet，POE）技术、用于过程控制的对象链接和嵌入（OLE for process control，OPC）技术等。
3 电量测控模块在国内的应用前景
3.1 智能电网测控应用
新一代电量在线测控核心产品在智能电网测控领域应用前景广阔，对全面提升供用电运行管理水平、保证电网的信息化高效运行、推进智能电网建设意义重大。发电站、变电站、中控室、电力调度中心等场所，诸多核心设备、关键环节对电力参数的实时、准确、智能测控有非常严格的要求。应用新一代电量在线测控核心产品，升级改造传统电量测控管理系统，实现对电力参数的实时、准确、智能、在线测控，可在保障电网安全可靠运行、负荷实时有效调控的同时，完成对电能的准确计量、考核、结算和电能质量的实时监测、分析、预警。应用范围包括电力调度运行管理，电能计量结算管理，数字化变电站等。
3.2 工业企业应用
工业企业为实现均衡、高效、科学、合理用电，从制定电力消耗考核定额，到查找技术和管理缺陷，从改进用电工艺结构，到保障供用电安全，凡节能增效、精益生产涉及的供用电关键环节、关键设备，都需要安装电量在线测控装置，对电参数进行实时测控、对电能消耗进行准确计量，以满足工业企业自身不断提高的管理考核要求。
3.3 其他方面应用
公共机构、公共设施、智能大厦等供用电系统的电参数测控[9-10]，是未来电量在线测控产品更广阔的应用领域。如应用新技术设计开发低成本的单相电量测量模块，可普及应用到各级公共机构的每一间办公室，不间断监测其用电状况，实时采集后集中显示、汇总考核，利于加强相互监督，促进行为节电。
4 结束语
结合以上所述，新一代的电量在线测控核心技术和产品，复合功能、模块结构、开放互联、集散组网是未来设计和应用的发展趋势，将在智能电网测控、工业企业用电测控、公共机构用电监测，以及公共设施、智能大厦供用电测控等方面获得广泛应用，推动电量测控过程及测控数据的分析、管理、应用进入智能化、网络化、信息化时代。
关键词：电参量；在线测控；智能模块；以太网
中图分类号：TM938.8 文献标识码：A 文章编号：
随着国家经济的快速发展，节能减排工作正深入推进，智能电网建设正加快实施，为电量测控技术和产品的研发、应用注入了新动力，拓展了新空间。综合应用新技术研制开发高准确等级、高可靠性、高稳定性且智能化、模块化、低成本的电量在线测控核心产品，满足智能电网安全运行、电能质量实时监控、用电过程实时测控、清洁能源入网安全等方面的需求，已成为当前国内外电量在线测控技术和产品研究发展的方向。
1 国外电量在线测控最新技术状况
1.1 电量在线测控关键技术状况
为适应电量在线测控系统高准确、高可靠、多功能、智能化、网络化、模块化的发展趋势，一方面需要利用最新的电子、测控技术，对电量在线测控系统的前端测量核心单元按智能化、网络化、模块化要求升级设计，彻底改变传统的结构和模式；另一方面，要利用当今网络通信、计算机及信息管理等先进技术构建网络化的电量在线测控系统，实现对各关键点电参量的实时测控、采集、分析、统计、管理。
1.1.1 电量测量专用集成芯片
近些年来，国外各种高集成、高性能、多功能、嵌入式的电量测量专用芯片不断涌现，如ADE7878、AT73C500/501、TDK71M6513H 等。电量在线测控系统在计算机及网络信息技术的强力推动下，功能不断增强，应用领域持续扩大，正朝着网络化、模块化、开放化、集散化、智能化的方向发展。网络通信接口芯片的多功能微型化发展，为基于TCP/IP 协议的电量在线测控核心测量单元向网络化升级设计铺平了道路。
应用最新的网络通信技术和支撑芯片，彻底升级设计电量在线测控核心测量单元，重点要把握远程组网应用和在线集中测控2 个关键。核心测量单元作为未来现场级在线测控的网络节点，须引入与因特网相似的体系结构和通信模型，使各测控节点的数据信息能以TCP/IP 方式传输；利用网络通信前沿技术，构建网络化的电参量在线测控系统，可保证测控网络（或Internet）所及区域的各类电参量测控信息能灵活传输至测控中心，实现对电参量的远程、在线、集中测控，节省长期运行成本。
1.1.2 嵌入式单片微处理器芯片
嵌入式系统常用的单片微处理器技术成熟，功能齐全。许多芯片已达到片上系统级水平，一个芯片内集成了中央处理器（CPU）内核、Flash存储器、片内RAM、多路ADC、多路DAC、SPI（I2C、RS232、RS485）接口、多路通用定时器、看门狗定时器等；支持闪存在系统编程ISP（in-system programming）、在电路编程ICP（in-circuit programming）、在应用编程IAP（in-application programming）功能。如NXP 公司最新的P89LPC98X 系列微处理器[4]，片内集成了高性能的80C51 内核，高精度内部时钟，Flash、RAM，UART、I2C、SPI 数据传输接口，多通道ADC，7 路定时器等资源，指令执行2～4 个时钟周期，2.4～5.5 V宽工作电压范围，支持ISP、ICP、IAP 在线编程功能，较适合低成本、高可靠性的电量测控系统应用。
1.2 国外电量在线测控的领先产品
国外电量在线测控技术和产品研究领域，施耐德电气集团、以色列Elspec 公司目前處于领先地位，代表着国外此类技术和产品的领先水平和发展方向。施耐德电气集团公司的PM800 系列电力参数测量仪、ION7650 电能质量监测装置等高端电量在线测控产品，具有测量准确等级高、测量功能完善、通信技术先进、组网应用灵活等特点。其主要技术指标如表1 所示
表1 PM800、ION7650 主要技术指标
2 电量在线测控新产品设计思路
2.1 国内电量在线测控产品的状况
国内目前的电量在线测控产品，在测量准确等级、智能测控、功能组合、开放性等方面须升级完善。主要存在以下不足：
（1）测量准确等级不高。电流、电压最高测量准确等级0.2 级，其他电量测量准确等级大多低于0.5 级。
（2）通信技术落后。通信接口多为RS485 总线或RS-232 接口，不具备TCP/IP 以太网通信协议，组网灵活性差，难于实现规模化的系统组网集成。
（3）功能单元的设计沿用传统的结构模式，不能实现前端测量单元的独立就近安装，不利于按需组合、优化配置、节约资源。
2.2 国内在线测控产品的设计思路
借鉴国外新型电量在线测控产品的设计理念，综合应用国内外最新技术，设计开发我国高准确等级、高可靠性、高稳定性，且智能化、网络化、模块化、低成本的电量在线测控核心产品，是国内电测技术必须突破的关键。
未来的电网将是智能电网，各种新的在线测控技术将不断地应用在智能电网中。当前和今后相当一段时期，国内对智能化、网络化的电量在线测控技术和产品需求旺盛，图1 给出一种综合应用新技术解决电力系统在线智能测控的示例。图中实线框构成的部分为拟开发的新型在线测控产品，虚线框部分给出了测控新产品获得信息途径及发出信息的去向。
图1 在线测控新产品在电力系统中的应用示例
应用新技术设计开发国内电量在线测控核心产品，应综合考虑：标准化问题，包括接口的标准化设计，测控单元模块标准化设计等；准确等级问题，采用目前电量测控最新专用测量芯片（如ADE7878），各类电量在线测量准确等级可达0.2 级以上；单元结构问题，可借鉴上述黑匣子的思路，合理划分基本功能模块和扩展模块，便于按需灵活组合、优化配置；通信接口问题，应将嵌入式以太网接口、USB 接口作为基本模块的必备功能，满足开放要求；针对现场应用可靠性问题，须采取软硬件冗余设计、隔离屏蔽等措施。
2.3 未来技术和产品的发展方向
未来的多功能电量在线测控核心产品，实时化、模块化、智能化、网络化、标准化是满足集中测控、规模组网、低碳应用的必然要求和发展方向。可采用的核心技术包括电量测控最新技术、网络通信最新技术、数据库技术、数据压缩存贮技术、信息管理技术、隔离屏蔽技术、低功耗设计技术、以太网供电（power over ethernet，POE）技术、用于过程控制的对象链接和嵌入（OLE for process control，OPC）技术等。
3 电量测控模块在国内的应用前景
3.1 智能电网测控应用
新一代电量在线测控核心产品在智能电网测控领域应用前景广阔，对全面提升供用电运行管理水平、保证电网的信息化高效运行、推进智能电网建设意义重大。发电站、变电站、中控室、电力调度中心等场所，诸多核心设备、关键环节对电力参数的实时、准确、智能测控有非常严格的要求。应用新一代电量在线测控核心产品，升级改造传统电量测控管理系统，实现对电力参数的实时、准确、智能、在线测控，可在保障电网安全可靠运行、负荷实时有效调控的同时，完成对电能的准确计量、考核、结算和电能质量的实时监测、分析、预警。应用范围包括电力调度运行管理，电能计量结算管理，数字化变电站等。
3.2 工业企业应用
工业企业为实现均衡、高效、科学、合理用电，从制定电力消耗考核定额，到查找技术和管理缺陷，从改进用电工艺结构，到保障供用电安全，凡节能增效、精益生产涉及的供用电关键环节、关键设备，都需要安装电量在线测控装置，对电参数进行实时测控、对电能消耗进行准确计量，以满足工业企业自身不断提高的管理考核要求。
3.3 其他方面应用
公共机构、公共设施、智能大厦等供用电系统的电参数测控[9-10]，是未来电量在线测控产品更广阔的应用领域。如应用新技术设计开发低成本的单相电量测量模块，可普及应用到各级公共机构的每一间办公室，不间断监测其用电状况，实时采集后集中显示、汇总考核，利于加强相互监督，促进行为节电。
4 结束语
结合以上所述，新一代的电量在线测控核心技术和产品，复合功能、模块结构、开放互联、集散组网是未来设计和应用的发展趋势，将在智能电网测控、工业企业用电测控、公共机构用电监测，以及公共设施、智能大厦供用电测控等方面获得广泛应用，推动电量测控过程及测控数据的分析、管理、应用进入智能化、网络化、信息化时代。